北太平洋以及北极地区海洋边界层大气持久性有机化合物研究：来源、趋势和过程

论文摘要

持久性有机化合物（Persistent organic pollutants, POPs）是一类具有持久性,毒性的有机化合物,并且会对生物以及人类造成毒性影响。这种化合物被释放进入环境以后,能随着大气长距离传输到没有历史使用的地区,例如北极。随着大气长距离传输的过程,POPs会在温度较低的北极环境中沉降和富集,影响到北极的生态环境。因此,大空间尺度的调查对于理解POPs的空间分布,长距离传输,以及研究北太平洋和临近北极地区的POPs来源等问题具有重要的作用。另一方面,近些年来的环境事件和环境变化会影响到POPs的大气长距离传输,也会导致POPs通过海冰消融以及生物质燃烧等作用再次释放到大气中,对海洋生态系统产生影响。为了能够掌握POPs在北太平洋和临近北极地区大气中的最近浓度情况,鉴别POPs的源区和大气长距离传输过程中可能的影响因素,以及揭示环境事件和环境变化对大气中POPs浓度可能造成的影响,借助2008年中国北极考察的契机,在雪龙号科学考察船上采集了大气样品,并且分析了这些大气样品中的POPs污染物多氯联苯（Polychlorinated biphenyls, PCBs）,六氯苯（Hexachlorobenzene, HCB）,六氯环己烷（Hexachlorocyclohexanes, HCH）,滴滴涕（双对氯苯基三氯乙烷,Dichlorodiphenyltrichloroethane, DDT）,氯丹（Chlordanes）和六溴环十二烷（Hexabromocyclododecanes, HBCDs）的浓度。检测结果显示在所有的大气颗粒态样品中HBCDs的浓度均低于检出限。这说明HBCD在北太平洋和北冰洋海洋大气中的浓度很低,并且大气长距离传输可能不是HBCDs从欧亚大陆传输到北极的主要途径。气态ΣPCBs （PCBs以及其他的有机氯污染物均在气态样品中检测）的浓度范围在整个航线中是22.0到520 pg m-3,平均值是240±160 pg m-3。三氯代、四氯代和五氯代PCB为大气中主要检测到的PCB同系物种类,分别占到大气∑PCB浓度的30±13%,53±13%和16±6%。ΣPCBs最高值发现于日本海,最低值发现于高纬度北极地区。在北太平洋靠近欧亚大陆区域采集到的大气样品有较高的PCB浓度。大气气团反演表明这些高值可能是受到了临近大陆源区大气传输作用的影响。PCB的同系物组成和纬度分布表明在大气长距离传输的过程中,比较轻的PCB同系物（有较少氯代且分子量较小）易于通过大气传输沉降到较冷的地区,比如北极,而较重的PCB同系物（有较多氯代且分子量较大）往往易于在靠近源区的地方沉降。HCB在所有的大气样品中均有检出,浓度范围是24到180 pg m-3。整条航线HCB的平均值是88 pg m-3。在东亚检出的HCB浓度高于在北太平洋地区检出的HCB浓度,这表明东亚是HCB的可能源区,并且可能会影响到北太平洋地区。从北太平洋到北极,HCB表现出浓度升高的趋势,表明HCB会受到全球分馏作用的影响。HCH在所有大气样品中均有检出。α-,β-和γ-HCH在整条航线的平均浓度值分别是33±16,5.4±3.0,and 13±7.5 pg m-3。和前人在临近区域报道的值相比较,∑HCH的值比上世纪90年代降低了10倍多,但是比2003年北极考察的结果高了大约4倍。这表明在采样区域近些年HCH浓度有升高的趋势。α/γ-HCH比值和2003年的数据相比较表现出明显的降低趋势,表明可能受到近些年来林丹（lindane,γ-HCH）持续使用的影响。∑DDT的浓度分布在整条航线上表现出很大的变动,范围是2.0到110 pgm-3,平均值是36±31 pg m-3。在东亚海域和北太平洋海域检出了较高p,p’-DDT和o,p’-DDT的浓度,且DDT/DDE的比值在这个区域也较高。这表明在临近的大陆区域有DDT相关物质的持续使用,大气长距离传输会使这些DDT使用或者排放直接影响到临近海域。o,p’-DDT/p,p’-DDT的比值高于工业生产的DDT中的比值,但是比在中国大气中检出到的比值要低,这说明在2008年北极考察过程中采集到的大气样品可能同时受到工业生产的DDT和中国dicofol使用的影响。Σhlordane在航线的浓度范围是1.8至11 pg m-3,平均值是5.4±2.6 pg m-3。反式氯丹（trans-chlordane, TC）和顺式氯月（cis-chlordane, CC）是主要的检出物质,分别占到Σchlordane浓度的40%和39%。在所有的样品中TC/CC的比值均低于工业生产氯丹中的比值,表明航线所采集的样品受到风化的氯丹的影响。在TC和CC浓度较低的样品中,TC/CC的比值也较低,反映了这些样品受到了较老的气团的影响。由于近些年来许多的POPs物质在全球范围内广泛的被禁止或者是被限制使用,POPs的直接排放量有很明显的降低。可以预见二次再释放的POPs物质对于环境的影响作用会明显的增大。当考察船于2008年7月底航行在白令海时,大部分有机氯农药检测出了相对较高的浓度。卫星监测数据表明在2008年7月底西伯利亚有大范围森林大火。研究中运用一氧化碳分布和燃烧产生的烟气排放的卫星数据,以及大气气团反演的手段来鉴定生物质燃烧排放的有机氯农药对所采集样品造成的影响。结果表明2008年7月西伯利亚地区的大火会对北太平洋地区检出的较高的DDT和HCH浓度有很大的贡献。大部分的有机氯污染物在北极浮冰区高于北极开放性海域和北极块冰区。在有季节性和多年生海冰覆盖的北冰洋地区,大部分有机氯污染物的浓度随着海冰浓度的增高而表现出明显的降低。这个现象表明随着全球气候变化导致的北极海冰在夏季迅速消融,之前沉降富集在积雪、海冰和北冰洋中的有机氯污染物会加速的释放到大气中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 研究目的以及所研究的污染物质介绍
• 1.1 研究背景和研究目的
• 1.2 POPs的物理化学性质以及全球使用情况介绍
• 1.2.1 多氯联苯（PCBs）
• 1.2.2 六氯苯（HCB）
• 1.2.3 六氯环己烷（HCHs）
• 1.2.4. 双对氯苯基三氯乙烷（DDTs）
• 1.2.5 氯丹（Chlordanes）
• 1.2.6 六溴环十二烷（Hexabromocyclododecanes,HBCDs）
• 第二章 采样以及检测方法
• 2.1 采样方法
• 2.1.1 采样区域描述
• 2.1.2 大气样品采集过程
• 2.2 样品处理和分析过程
• 2.2.1 有机氯污染物的化学分析
• 2.2.2 HBCD物质的检测
• 2.3 大气气团轨迹反演和源区影响因子计算
• 第三章 采样航向上POPs的空间分布和可能的来源分析
• 3.1 CHINARE2008采样航线上大气POPs浓度概述
• 3.2 PCBs的空间分布、同系物组成和来源
• 3.2.1 PCBs的浓度趋势和空间分布
• 3.2.2 和其他检测数据的比较,以及可能的来源和传输路径的讨论
• 3.2.3 PCBs的同系物组成和纬度趋势
• 3.3 HCB的空间分布和来源分析
• 3.3.1 HCB的浓度趋势和空间分布
• 3.3.2 HCB浓度和其他检测数据的比较以及可能来源的讨论
• 3.4 HCHs的空间分布,时间变化趋势和来源讨论
• 3.4.1 HCHs的浓度趋势和空间分布
• 3.4.2 HCHs大气浓度水平的时间变化趋势
• 3.4.3 HCHs的来源
• 3.4.3.1 HCHs可能的来源和传输途径
• 3.4.3.2 α/γ-HCH比值以及其反映的可能的来源信息
• 3.5 DDTs的空间分布和可能的来源讨论
• 3.5.1 DDTs的浓度趋势和空间分布
• 3.5.2 和CHINARE2003获得的结果以及其他检测结果进行比较
• 3.5.3 DDTs的可能来源和环境命运
• 3.6 Chlordanes的空间分布和环境命运
• 第四章 POPs的大气长距离传输行为
• 4.1 POPs的全球分馏理论和"蝗虫跳"现象（grasshopper effect）
• 4.2 POPs的大气长距离传输
• 4.3 大气长距离传输过程中的POPs环境命运
• 第五章 生物质燃烧排放有机氯农药
• 5.1 生物质燃烧排放有机氯农药:趋势和影响
• 5.2 生物质燃烧事件和大气气团来源的鉴别
• 5.3 西伯利亚大火事件对于北太平洋大气的影响
• 第六章 北冰洋海冰分布对POPs物质的影响
• 6.1 气候变化对北极POPs环境命运造成的影响
• 6.2 2008年夏季北极海冰消融情况
• 6.3 海冰分布对于北冰洋POPs浓度水平的影响
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 问题与展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果